鱼鳃的作用和功能鱼为什么在水里可以呼吸( 六 )

对，而对于肺来说，空气是从嘴里进嘴里出的，那么对于我们而言，如果肺呼吸的是水，这其实有一个很重要的条件，就是我们的肺需要具有极其强大的排水能力。我们想象一下用气球排空气和用气球排水这两个场景应该就知道这两者相差多远了，还真是没记错的话空气的密度和水的密度差了一千多倍吧。对，当然啦，就算我们有如此强大变态的肌肉，可以在水里自如的吸水喝水。那么水里的这个含氧量呢其实也远远不够维持我们生命活动所需，前面其实也说过，就是空气当中呢有21%的氧气，但是同样体积的水中所溶解的氧如果换算一下的话只有3%左右。那如果从质量的角度来说，前面其实也差不多说过就是水中溶解的氧气仅仅只占到总重量的0.0043%左右，明白了，就是不论是水本身还是我们的肺，的确都不支持我们在水下呼吸。
对，呀，忽然有点怀念祖先的呀。你看那鱼鳃的结构看样子也不复杂，我们为什么不研制出像鱼那样直接能够从水当中换取氧气的水肺呢，你还真别说，人类呢其实真的一直对这个人造鳃呀有浓厚的兴趣，正儿八经的研究呢差不多可以追溯到上世纪60年代。明尼苏达大学化工系的有一位科学家呢，他其实就提出了用聚二甲基硅氧烷这样的膜材料实现从水中分离溶解氧的想法，甚至呢他还做了一个样机出来。诶，感觉这个东西好像在科幻片或者谍战片里出现过。是的，不过呢当年的这个样机呢，它其实只能够供一只小狗来呼吸，而远远达不到供人呼吸的程度。那么到了上世纪90年代，复式系统公司为了展示他们新一代的非对称聚二甲基硅氧烷有多棒，其实是炫技炫他们的膜材料也做了一个人造塞，不过呢这个体积非常的大多大，一台冰箱那么大，可以更大一点，太大了吧？对。而且呢其实它有个很大的问题，就是在演示的时候需要这个人推着它在水里不断的前进，只有这样呢才能够获取足够的氧气，而且即便如此也仅仅是让那个潜水员在水下正常呼吸了18分钟，那这也太不划算了，就又要推，然后又只能呼吸这么点儿时间。
对，这个时候其实我就想这被氧气瓶不香嘛，那20世纪以来呢，其实先后至少有两个组的科学家对人造塞做了非常严肃的科学研究。那比如说呢他们用这个输水的中空纤维膜作为人造塞膜外和外界水体接触膜内呢是用泵驱动富氧的液体通过，然后呢再从另一侧通过加热或者是光照的方法把这个负氧液体当中的这个氧气再给释放出来。这个看上去很可惜呀，但是很可笑，就是不论怎么优化都没有办法维持这套系统到可以让一个人在水下长时间正常呼吸的水平，为什么呢？我们说，像这样的装置，虽然氧气的来源从理论上是解决了，但是呢电源始终是个大问题，其实呢也就是这样的一个关键使得这些项目最终都不了了之了，那为什么人造塞的实现这么困难呢，这里稍稍展开讲一讲，就是说要实现人造塞呢，我们可以简单的认为有三个串联的传质过程，氧气在从水的本体中传输到水膜这个界面，然后呢氧气从膜的一侧传输到另一侧，最后呢是氧气从膜的另一侧界面传递到管道内富含氧的这个液体或者是气体当中，这还有工程师思考问题的感觉吗，这个呢其实大家也可以跟着思考一下，以后如果说大家搞工程或者说是想要解决一些问题，就要把这些事情分成若干个步骤来解决，对吧？
那么其实我们刚才说了这三个过程最慢这一步呢就决定了整个过程的速度有道理，这就是这个木桶原理，对吧？对。那么在半个世纪之前呢，它主要是卡在了膜的技术不够先进上，所以当时最慢的一步是发生在第二步，对，也就是氧气在膜当中的扩散，然后呢现在其实我们材料学进步的很快，对吧？这个膜的技术呢已经比较先进了，有的多孔输水膜，这个实际上膜两侧的这个气液界面是直接接触的，那么疏水膜呢是起到一个阻碍水穿透的作用，并不妨碍传质，或者说是可以让氧气迅速通过。那么至于第三步所使用的这个富氧液体或者是气体，你看我都是用或者的，对吧？它其实有很多种选择，你挑一个比较好的就行了。那所以现在又卡在了第一步，没错，就是在氧气在水的本体中传输的过程，这个过程之所以很慢呢是由于水的理化性质决定的。我们说水分子之间有很强的氢键，所以水是粘度非常大的液体，氧气在水中的扩散呢，它其实是需要从中间很费力的挤过去，怪不得说费电了。对，那如果说我们和鱼一样是冷血动物，耗氧量没有那么高的话，那其实还好说，但是生理结构其实也决定了我们需要远多于鱼的氧气，那么按照这种设备的设计，如果说我们采用鲨鱼的那种方式游得足够快，其实呢也能够获取更多的氧，但是臣妾做不到，游的不够快，那这个如果带个高性能电池让这个水泵可以持久工作，是不是就可以解决这个问题呢？

鱼鳃的作用和功能 鱼为什么在水里可以呼吸( 六 )

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